日晷: 時間的投射

在廣闊時光的長河中，人們孜孜不倦地求索精準計時的途徑。日晷，作為人類智慧的結晶，是一種巧妙地運用太陽高度或方位（或兩者兼用）來顯示時間的古代裝置。

縱觀歷史，日晷的設計千差萬別。有些藉助陰影或其邊緣來投射時標，另一些則透過線條或光點來指示時間。僅靠日晷自身無法反映太陽時，必須搭配地方時區的經度更正，方能與鐘錶顯示的時間相符。

日晷的原理源自地球自轉軸偏離環繞太陽軌道的事實。隨著地球軌道位置的變動，太陽時與時鐘時間之間存在著一定的誤差，稱為均時差。精巧的日晷會考慮這種差異，在晷針或時間線中導入修改。然而，大多數日晷較為簡易，透過輔助説明或修正表來彌補均時差。

日晷多採用垂直形式，晷針與地球自轉軸對齊，且垂直於地平面。這種設計下，陰影會以均勻的速度移動，而垂直晷面上的時間線等距分佈。然而，當接收陰影的表面非垂直時，運動和時間線的分配均會變得不均勻。

若晷針無與地球極軸對齊，或其陰影移動不規則，則旋轉和時間線必須相對應地調整。當光線從晷針頂端射入，或經過鏡面反射，或是穿透小孔時，就必須根據極軸來追蹤投影。投影或陰影落於平面時，將描繪出曲線，如雙曲線、橢圓或圓（在地球極點）。

這條曲線是由光錐與平面的交會點組成。光錐和曲線會隨著季節變化而改變，也就是隨著太陽赤緯的變化；因此，跟隨光點位置的反射或陰影位置顯示的日晷，其時間線會有週年性的不同變化。

另類的日晷可以改變晷影器相對於時間線的位置或角度（或兩者都改變），例如正投影日晷或朗伯日晷。在古老的埃及就有日晷的存在，且其它文化古國，包括中國、希臘和羅馬都存在使用日晷的史料。

從考古紀錄上所知，最古老的日晷是古埃及天文學的方尖碑（西元前3,500年）和巴比倫天文學的影鐘（西元前1,500年）。很早就有人意識到陰影長度可以量度時間，但難以驗證。大約在西元前700年，舊約描述了一個日晷－在大先知書的以賽亞書38:8和歷史書的列王紀20:11提到亞哈斯的日晷。

在有些設計中，可能可以測定一年中的日期，或可能需要知道日期才能得到正確的時間。在這些情況下，可能有多組時間線分別用在不同的月份，或可能設置/計算月份的機制。除了時間線，晷面可能還會提供其他的資料－－如地平圈、赤道和回歸線－－這些統稱為盤面工具。

製造陰影或光，以投射在晷盤的整個部分稱為日晷的晷影器。然而，晷影器有用的部分通常只是產生陰影的邊緣（或一段線性的特徵），以其所投下來的陰影以確定時間；這段線性的邊緣才是日晷真正的晷針。這個晷針是校準得與天球的軸平行並指向天球極點，因此會與當地的地理子午線一致。在某些日晷的設計上，晷針只是在晷影器邊緣的一個點狀特徵，像是晷針上的一個點狀物，用於確定日期和時間；這個點狀特的徵被稱為日晷的節點。有些日晷使用晷針和節點測定日期和時間。

晷影器相對於晷面通常是固定的，但並非全都是這樣；在一些設計，如正投影日晷，晷針是依月分（日期）移動的。如果晷針是固定的，在盤面上位於晷針垂直處下方的線稱為副晷針，意思就是在晷針的下方。晷針與晷盤之間的角度稱為晷針高度，但此處的高度即為角度，是與一般不同的用法。在許多的牆面日晷，副晷針與正午線不相同（見下文）。在晷盤上的正午線和副晷針之間的角度距離稱為副晷針距離，距離在此處的意思也是角度，這又是一個不尋常的使用法。

傳統上，許多日晷都有銘文。這些銘文通常是警語或諷刺短詩的風格：有些是深沉的思考與反應時間和生命的短暫，但有時會展現日晷製造者的幽默或俏皮。

如果刻度盤上的時間線是等距離的直線，這個日晷會被稱為等角。多數的等角日晷都有固定的晷影器，並且晷針的指向會與地球的自轉軸對齊，同時接收影子的表面相對於軸也是對稱的；這些例子包括赤道式日晷、赤道弓形日晷、環形日晷、圓柱形日晷和圓錐形日晷。然而，其他的設計也有等角日晷，像是變心日晷中的朗伯日晷；正投影日晷的晷針也是可以移動的。

在半球的某個特定緯度上的日晷，換到另一個半球在相對的緯度上要反轉過來使用。在各自緯度上的日晷，換到另一個半球時要在相對的緯度上反過來才能使用在北半球正對著南方的垂直日晷放在南半球就成為要正對著北方的垂直日晷。水平日晷要確實的定位，就必須找到真正的北或南。

這兩種日晷都要經過相同的程序來定位。晷影器要設定正確的緯度，在南半球要指向真正的天球南極點，在北半球要指向真正的天球北極點。時間線的數值也要反方向配置，在水平日晷是逆時針旋轉，而不是順時針方向。

在一個半球設計的水平日晷的晷面，移到另一個半球時，可以在其餘角的緯度上做為正向垂直日晷的晷面。例如，在澳大利亞伯斯的緯度是南緯32度，則北緯58度（也就是90-32）正對著南方的垂直日晷，可以成為當地的水平日晷。蘇格蘭的伯斯位置稍微偏北一點，在當地正對著南方的垂直日晷的晷面，就會與澳大利亞伯斯的水平日晷的晷面一模一樣（忽略經度上的差異）。所以日晷在這兩地將會做著相同的工作。相應的，時間的標記在南半球的水平日晷是逆時針旋轉，而在北半球的垂直日晷也是如此（查看這篇文章頂部最初的兩張圖）。在北半球的水平日晷和南半球的垂直日晷，時間標記都是順時針旋轉的方向。

日晷的時間與鐘錶顯示的時間迥異，最常見的主要原因是日晷的指向不正確，或是時間線設置的不正確。例如，如前文所述的大批量產的商用水平日晷。日晷要能準確，這樣的日晷必須依照所在地的地理緯度來設計，它的晷針必須平行於地球的自轉軸；晷針必須對正真北和它的高度（其與水平面的角度）符合當地的地理緯度。若要調整晷針的高度，日晷通常可以略為”向上”或”向下”傾斜，同時還要維持晷針對正南北的指向。

世界上有一些地區有實行日光節約時間，通常是調整官方時間一小時。這種轉變必須添加到日晷的時間標示上，使它能夠與官方的時間一致。

在最極端的情況下，時區的官方正午，包括日光節約時間，可以被提早3小時（太陽過中天的時間會是官方時間下午3點，3 pm）。出現這種情況的地區包括阿拉斯加的最西邊、中國和西班牙。

雖然，太陽繞地球的速率看起來是均勻一致的，但其實它不是完全一致。這是因為地球的軌道是橢圓的（事實上是地球繞著太陽的軌道不是完美的圓形），和地球的自轉軸相對於軌道面是傾斜的。因此，日晷的時間不同於標準時鐘時間。在一年當中，兩者之間的差值有4天為0，但在其它的日子不是太快，就是太慢，最大的差異可以達到15分鐘。這兒所説的差值就是均時差。這種修正是全球性的，與日晷所在地的緯度和形式無關。在很長的一段時間，幾個世紀或更久，它也會改變，這是因為地球的軌道和自轉速率都在慢慢的變化著。

因此，幾個世紀前做的均時差圖和表，現在明顯的是不正確的。讀取一座古老日晷的時間，需要參照現在的均時差，而不是以當時製作在晷面上的來修正。

有一些日晷，會在日晷上提供校正均時差的飾板。更複雜的日晷，則自動將均時差的校正納入。例如，有些弓形赤道日晷備有一個小的輪子，可以設定一年的時間，依序旋轉赤道的弓，消除測量上的均時差。在其它的情況，時間線可以是曲線，或是赤道的弓像是一個花瓶，依據太陽在一年中的緯度變化，修正得到適當的時間。

日光時間儀（heliochronometer）是一種精準的日晷，它在1763年由Philipp Hahn（英語：Philipp Matthäus Hahn）首度發展出來，並且大約在1827年由Abbé Guyoux（英語：Abbé Guyoux）加以改善。它將視太陽時修正為平太陽時或其它的標準時間。日光時間儀通常可以顯示出一分鐘的時間。

逐日日晷（英語：Sunquest sundial）是Richard L. Schmoyer在1950年代設計的，受到日行跡啟發的晷影器將光影投射到眉月形的赤道晷面時間刻尺上。逐日日晷的精度和緯度都可以調整，自動修正了均時差，使其準確度和大多數的口袋手錶相似。

以適當角度傾斜安置的指針或稱為日規，是日晷上唯一需要經驗才能安裝的組件，因此大量生產用以顯示時間的庭園日晷，多半不能正確的顯示時間。在北緯45度或更高的緯度上也有許多日晷在使用。

日晷只要適當的調整晷針的傾斜角度，與地球的自轉軸平行，就能在不同的緯度上使用。也就是説晷針的末端在北半球必須指向天球的北極點，在南半球則要指向天球的南極點。而除了對準南北極點之外，在刻度盤上的時間標示角度不是等距的，也需要配合著調整。同樣的，刻度盤被扭曲的日晷也不能正確顯示的時間。

如果要顯示標準時間，日晷的設計就需要能轉動來調整經度造成的時間偏差，由於每15度是一個時區，所以轉動的最大範圍是向東或西7.5度，但是晷針仍然必須對準天球的北(南)極點。不過即使日晷就放置在時區的中心經度線上，還是要作均時差的校正。

要修正日光節約時間，刻度盤上就需要有兩組的數字或是使用修正表，而且還是要作時區內的經度偏差修正。而對有兩組數字的日晷，還有個非正式的規範，就是夏天的數字要用暖色表示，冬天的數字則用冷色來表示。

通常日晷顯示的真太陽時與鐘錶顯示的時間會有差異，這就是所謂的均時差，在一年之中最大的差值可以達到15分鐘。均時差的成因是地球的軌道是橢圓形的，還有自轉軸與軌道面之間的傾斜。所以一個好的日晷必須附上一張永久性對照表，最少要以月為單位來修正均時差。比較複雜的做法則是將時間的標示作成曲線，或是將晷針作成弧度，或是其他的方法將均時差直接修正。

在給定的任何一天，太陽相對於軸的轉動是均勻的，一小時大約15°，每24小時完成一個圓周（360°）。與軸對齊的線形晷影器所投下的陰影落在接收的盤面上，充滿了背向太陽的部分，同樣的也是每小時繞著天球的軸轉動15°。接收這個陰影的面通常是平坦的，但也可以是球、圓柱、圓錐，或其它的形狀。如果陰影落在與天球軸勻稱的面上（像是一個渾天儀或是赤道日晷），陰影在表面的移動就會是均勻的；日晷上的時間線就是等距的。然而，如果接收陰影的面不是對稱的（像是多數的水平日晷），陰影在面上的移動就不會是均勻的，時間線也就不會是等距的；一個例外是下面會介紹的朗伯日晷。

有些類型的日晷被設計成日規是固定的，但沒有對準天極，像是垂直的方尖碑。這種日晷將在#基於節點的日晷那一章節中介紹。

以下各段中所顯示的公式可以為各種類型的日晷計算其時間線的位置。在某些情況下，計算很簡單；而有一些則是極其複雜的。還有一個辦法，可以在許多類型的日晷上找出時間線的位置，並且可以節省大量計算複雜的工作情況。[17] 這是以一個真實的日晷

原理與構造

日晷利用太陽在一天中的運動規律，以陰影或光斑投射在標度面上指示時間。其構造主要包括：

• 指針：通常是一根垂直放置的棒狀結構，稱為「標桿」。
• 標度面：標有時間刻度的平面，與標桿相交。
• 底座：支撐日晷的基座，通常傾斜一定角度以配合不同緯度區域。

發展歷史

日晷在三千多年前的古埃及和巴比倫就有使用紀錄。早期日晷僅使用陰影指示時間，稱為「影晷」。隨著科技進步，發展出標示更細緻的「針晷」，使用細而直的標桿產生光斑投射於標度面上。

種類

日晷種類繁多，依據構造和原理主要可分為：

使用方式

使用日晷時，需要根據其類型和放置的位置進行以下步驟：

延伸閲讀…

日晷- 教育百科| 教育雲線上字典

日晷詞語解釋

1. 調整日晷底座角度，與當地緯度相符。
2. 將日晷放置於沒有遮擋的水平或垂直面上。
3. 根據陽光の投射陰影或光斑，對照標度面上的刻度即可得知時間。

優缺點

日晷的優點包括：

• 簡單易懂，無需特殊裝置或電源。
• 耐用性高，使用壽命長。

日晷的缺點則有：

• 僅在有陽光時才能使用。
• 精度有限，受雲層和季節影響。
• 需要根據緯度調整角度才能正確使用。